本發(fā)明涉及一種密封材料，具體涉及一種用于石油化工管路密封圈的尼龍66復(fù)合材料。
背景技術(shù)：
橡膠密封圈密封是最常用的一種密封形式,這種密封形式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠的優(yōu)點(diǎn),但橡膠密封圈存在性能缺陷限制其在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用。航天器的密封程度對(duì)于內(nèi)部設(shè)備的安全有著重要的影響,而對(duì)于載人航天器來說,機(jī)構(gòu)密封性能的好壞有更大的影響意義。航天飛行器在空間運(yùn)行時(shí)要經(jīng)過低溫-70℃和高溫70℃的溫度變化,橡膠材料的材料特性隨溫度的變化有很大的不同,因此還要分析空間飛行器在不同溫度的密封性能?！疤魬?zhàn)者”號(hào)失事的直接原因是航天飛機(jī)右側(cè)固體火箭助推器的O型密封圈失效,導(dǎo)致燃?xì)馔庑埂?/p>
聚四氟乙烯(PTFE)材料具有優(yōu)良的耐蝕性、耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性，并且不沾、無毒、無污染，被稱為“塑料之王”，是一種較好的密封材料，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空航天、醫(yī)學(xué)、石油化工、機(jī)械等許多領(lǐng)域的密封裝置。雖然塑料本身具有強(qiáng)的抗腐蝕能力，不為化學(xué)溶劑所侵蝕，但當(dāng)一些化學(xué)試劑、溶劑、水等進(jìn)入摩擦界面，在應(yīng)力反復(fù)作用下，又有熱、氧等環(huán)境因素，是能夠產(chǎn)生磨損的。在摩擦過程中，表面上真實(shí)接觸區(qū)域可以產(chǎn)生高溫，同時(shí)可能產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力與變形，在這些熱點(diǎn)能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而加快了磨損速度。而且，雖然聚四氟乙烯有良好的密封性能，但它的力學(xué)性能不好，抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度不高，回彈能力差。所以，這些因素使聚四氟乙烯密封圈老化失效是導(dǎo)致石油化工管路泄漏的重要原因之一。而且石油化工管路輸送的介質(zhì)具有高溫、高壓、腐蝕等特點(diǎn),極易在管路連接處造成水、氣、物料的跑、冒、滴、漏,污染環(huán)境、危害工人身體健康。因此,為了延長(zhǎng)管路的使用壽命,確保管路暢通無阻,保證安全生產(chǎn),必須確保使用密封材料的性能良好。
尼龍66材料，其分子鏈中重復(fù)出現(xiàn)的酰胺基團(tuán)間可發(fā)生氫鍵結(jié)合，并規(guī)整排列形成結(jié)晶，從而具有良好的機(jī)械性能和耐油耐溶劑性、自潤(rùn)滑性。但仍然存在一些性能缺陷，由于其結(jié)構(gòu)中含有酰胺基團(tuán)(屬于極性基團(tuán))，在高溫、潮濕或紫外照射的環(huán)境中，尼龍66會(huì)發(fā)生熱降解、水解，從而影響其制品的尺寸穩(wěn)定性和力學(xué)性能，降低了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和使用壽命，這些因素均限制了尼龍66材料的應(yīng)用。為改善尼龍相關(guān)材料的性能，Monserrat等制備了SiO2/尼龍6復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)SiO2的加入提高了尼龍6復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能和熱性能。關(guān)于尼龍66復(fù)合材料耐磨性能和耐熱性能研究的報(bào)告還沒有在國(guó)內(nèi)外公開，所以，一種綜合性能更好的尼龍66復(fù)合材料將成為國(guó)內(nèi)外研發(fā)的熱點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有密封材料的不足，提供一種綜合性能更好的尼龍66復(fù)合材料，相對(duì)于尼龍66材料、SiO2/尼龍6復(fù)合材料，本發(fā)明的尼龍66復(fù)合材料，其耐摩擦、耐熱性、耐水解性能都有明顯的改善，可以在自然環(huán)境惡劣的情形下保持長(zhǎng)時(shí)間的密封性能，更適用于石油化工等相關(guān)領(lǐng)域。
尼龍66復(fù)合材料的組分為：尼龍66含量為80％、聚四氟乙烯含量為15％、柔性石墨含量為4-4.8％、Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)含量為0.2％～1％。所述Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)的含量占尼龍66復(fù)合材料的質(zhì)量百分比優(yōu)選為0.3％～0.7％，更優(yōu)選為0.4～0.6％，最優(yōu)選為0.5％。
本發(fā)明還涉及Ekonol(0.2％-1％)/尼龍66材料及相關(guān)密封產(chǎn)品的制備方法，包括如下步驟：
步驟1、按處方比例添加尼龍66，并加熱至320℃使其熔化，然后同時(shí)添加聚四氟乙烯和柔性石墨，以300-500轉(zhuǎn)/分的速度攪拌均勻。
步驟2、按處方比例添加Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)，以800-1000轉(zhuǎn)/分?jǐn)嚢杈鶆?，該過程持續(xù)加熱30-50分鐘，混合物溫度保持在320℃。
步驟3、用螺旋壓注機(jī)將熔融的尼龍66復(fù)合材料擠壓進(jìn)密封圈成型模具，保壓成型。采用0攝氏度以下的冰水將成型磨具冷卻，待其冷卻后取出密封圈。
對(duì)Ekonol(0.2％)/尼龍66、尼龍66材料、SiO2(0.2％)/尼龍6復(fù)合材料的耐摩擦磨損性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，表1所列結(jié)果表明,Ekonol(0.2％)/尼龍66的耐摩擦磨損性能優(yōu)于尼龍66材料、SiO2(0.2％)/尼龍6復(fù)合材料。同樣，對(duì)含有不同比例的Ekonol/尼龍66復(fù)合材料進(jìn)行耐摩擦磨損性能考察，表2所列結(jié)果表明,隨著Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)在復(fù)合材料中比例的增加，摩擦系數(shù)及磨損率減小，當(dāng)Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)的比例增加至0.7％時(shí)，其摩擦系數(shù)和磨損率反而有一定程度的升高，當(dāng)增加至1.0％時(shí)，其摩擦系數(shù)和磨損率明顯升高，所以，Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)在復(fù)合材料中比例為0.5％時(shí)，復(fù)合材料的耐摩擦磨損性能最好。
對(duì)Ekonol(0.2％)/尼龍66、尼龍66材料、SiO2(0.2％)/尼龍6復(fù)合材料的耐熱性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯珽konol(0.2％)/尼龍66的耐熱性能明顯好于尼龍66和SiO2(0.2％)/尼龍6.從表4中可以看出，在復(fù)合材料中，隨著Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)含量的增加，復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)呈現(xiàn)逐漸減低的趨勢(shì)，這說明Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)對(duì)復(fù)合材料呈現(xiàn)負(fù)效應(yīng)。當(dāng)Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)增加至0.5％以后，熱膨脹系數(shù)增加的趨勢(shì)并不明顯，考慮成本，選擇0.5％的Ekonol(聚對(duì)羥基苯甲酸酯)作為最佳比例。
設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M高溫高濕的環(huán)境，對(duì)尼龍66、SiO2(0.2％)/尼龍6、Ekonol(0.2％-1.0％)/尼龍66耐水解性能進(jìn)行了考察，表5的結(jié)果表明Ekonol(0.2％-1.0％)/尼龍66的耐水解性能明顯優(yōu)于其他二者。
本發(fā)明提供的尼龍66復(fù)合材料，采用尼龍66為主要原材料，提高了密封材料的綜合力學(xué)性能，摩擦性能試驗(yàn)和耐熱試驗(yàn)表明，本復(fù)合材料除了具有尼龍66材料及尼龍6復(fù)合材料機(jī)械性能良好、耐油、耐溶劑的優(yōu)點(diǎn)以外，同時(shí)具有更佳的耐摩擦、耐熱、耐水解性能，與現(xiàn)有材料相比有顯著優(yōu)勢(shì)。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。
實(shí)施例1、Ekonol(0.2％)/尼龍66材料的制備
一種尼龍66復(fù)合材料，以質(zhì)量百分比含量計(jì)其組分為：尼龍66含量為80％、聚四氟乙烯含量為15％、柔性石墨含量為4.8％、Ekonol含量為0.2％。
制備方法如下：首先添加80％的尼龍66，并加熱至320℃熔化，然后同時(shí)添加15％的聚四氟乙烯和4.8％的柔性石墨，攪拌均勻。添加0.2％的Ekonol，攪拌均勻，該過程持續(xù)加熱，混合物溫度保持在320℃。用螺旋壓注機(jī)將熔融的尼龍66復(fù)合材料擠壓進(jìn)密封圈成型模具，保壓成型，冷卻后取出密封圈。利用該工藝及尼龍66復(fù)合材料制成的密封圈，抗拉強(qiáng)度為120～124MPa，抗剪強(qiáng)度為61～65MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)159～162MPa，撓曲強(qiáng)度可達(dá)171～174MPa。
實(shí)施例2、Ekonol(0.3％)/尼龍66材料的制備
一種尼龍66復(fù)合材料，以質(zhì)量百分比含量計(jì)其組分為：尼龍66含量為80％、聚四氟乙烯含量為15％、柔性石墨含量為4.7％、Ekonol含量為0.3％。
制備方法如下：首先添加80％的尼龍66，并加熱至320℃熔化，然后同時(shí)添加15％的聚四氟乙烯和4.7％的柔性石墨，攪拌均勻。添加0.3％的Ekonol，攪拌均勻，該過程持續(xù)加熱，混合物溫度保持在320℃。用螺旋壓注機(jī)將熔融的尼龍66復(fù)合材料擠壓進(jìn)密封圈成型模具，保壓成型，冷卻后取出密封圈。利用該工藝及尼龍66復(fù)合材料制成的密封圈，抗拉強(qiáng)度為117～122MPa，抗剪強(qiáng)度為60～63MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)163～168MPa，撓曲強(qiáng)度可達(dá)170～175MPa。
實(shí)施例3、Ekonol(0.5％)/尼龍66材料的制備
用于管路密封圈的尼龍66復(fù)合材料，以質(zhì)量百分比含量計(jì)其組分為：尼龍66含量為80％、聚四氟乙烯含量為15％、柔性石墨含量為4.5％、Ekonol含量為0.5％。
制備方法如下：首先添加80％的尼龍66，并加熱至320℃熔化，然后同時(shí)添加15％的聚四氟乙烯和4.5％的柔性石墨，攪拌均勻。添加0.5％的Ekonol，攪拌均勻，該過程持續(xù)加熱，混合物溫度保持在320℃。用螺旋壓注機(jī)將熔融的尼龍66復(fù)合材料擠壓進(jìn)密封圈成型模具，保壓成型，冷卻后取出密封圈。利用該工藝及尼龍66復(fù)合材料制成的密封圈，抗拉強(qiáng)度為123～126MPa，抗剪強(qiáng)度為69～73MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)163～169MPa，撓曲強(qiáng)度可達(dá)174～177MPa。
實(shí)施例4、Ekonol(0.7％)/尼龍66材料的制備
用于管路密封圈的尼龍66復(fù)合材料，以質(zhì)量百分比含量計(jì)其組分為：尼龍66含量為80％、聚四氟乙烯含量為15％、柔性石墨含量為4.3％、Ekonol含量為0.7％。
制備方法如下：首先添加80的尼龍66，并加熱至320℃熔化，然后同時(shí)添加15％的聚四氟乙烯和4.3％的柔性石墨，攪拌均勻。添加0.7％的Ekonol，攪拌均勻，該過程持續(xù)加熱，混合物溫度保持在320℃。用螺旋壓注機(jī)將熔融的尼龍66復(fù)合材料擠壓進(jìn)密封圈成型模具，保壓成型，冷卻后取出密封圈。利用該工藝及尼龍66復(fù)合材料制成的密封圈，抗拉強(qiáng)度為121～125MPa，抗剪強(qiáng)度為65～69MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)163～165MPa，撓曲強(qiáng)度可達(dá)169～171MPa。
實(shí)施例5、Ekonol(1.0％)/尼龍66材料的制備
用于管路密封圈的尼龍66復(fù)合材料，以質(zhì)量百分比含量計(jì)其組分為：尼龍66含量為80％、聚四氟乙烯含量為15％、柔性石墨含量為4.0％、Ekonol含量為1.0％。
制備方法如下：首先添加80％的尼龍66，并加熱至320℃熔化，然后同時(shí)添加15％的聚四氟乙烯和4.0％的柔性石墨，攪拌均勻.添加1.0％的Ekonol，攪拌均勻，該過程持續(xù)加熱，混合物溫度保持在320℃。用螺旋壓注機(jī)將熔融的尼龍66復(fù)合材料擠壓進(jìn)密封圈成型模具，保壓成型，水冷后取出密封圈。利用該工藝及尼龍66復(fù)合材料制成的密封圈，抗拉強(qiáng)度為118～120MPa，抗剪強(qiáng)度為60～62MPa，壓縮強(qiáng)度可達(dá)163～167MPa，撓曲強(qiáng)度可達(dá)166～172MPa。
實(shí)施例6、制備尼龍66材料、SiO2/尼龍6復(fù)合材料、Ekonol(0.2％)/尼龍66配方的樣品,在MM一200型磨損試驗(yàn)機(jī)上(按照GB3960-83),進(jìn)行16小時(shí)的摩擦磨損性能比較(載荷：200N，轉(zhuǎn)速：500rpm)，結(jié)果見表1。
表1、尼龍66材料、SiO2/尼龍6復(fù)合材料、Ekonol(0.2％)/尼龍66復(fù)合材料的耐摩擦性能比較
實(shí)施例7、制備Ekonol(0.2％)/尼龍66、Ekonol(0.3％)/尼龍66、Ekonol(0.5％)/尼龍66、Ekonol(0.7％)/尼龍66、Ekonol(1.0％)/尼龍66配方的樣品，在MM一200型磨損試驗(yàn)機(jī)上(按照GB3960-83),進(jìn)行16小時(shí)的摩擦磨損性能比較(載荷：200N，轉(zhuǎn)速：500rpm)，結(jié)果見表2。
表2、Ekonol(0.2％)/尼龍66、Ekonol(0.3％)/尼龍66、Ekonol(0.5％)/尼龍66、Ekonol(0.7％)/尼龍66、Ekonol(1.0％)/尼龍66的耐摩擦性能比較
實(shí)施例8、從耐摩擦磨損性能測(cè)試制備的各復(fù)合材料樣條上分別截取適當(dāng)長(zhǎng)度試樣，試樣通過線切割加工而成，上下兩平面保持嚴(yán)格平行。用膨脹儀測(cè)定試樣的熱膨脹曲線，升溫速率為2℃/min，測(cè)試溫度范圍為25～150℃，之后利用公式計(jì)算復(fù)合材料在某一溫度區(qū)間內(nèi)的平均熱膨脹系數(shù)和動(dòng)態(tài)熱膨脹系數(shù)。根據(jù)GB/T 4339—1984，固體在溫度每升高1℃時(shí)，在某一方向上的長(zhǎng)度增量ΔL/ΔT與室溫下同方向上的長(zhǎng)度L0之比，叫做固體的線膨脹系數(shù)α，即
按上述方法對(duì)純尼龍66、SiO2(0.2％)/尼龍6、Ekonol(0.2％)/尼龍66進(jìn)行測(cè)定，按照式(1)計(jì)算出各種材料的線膨脹系數(shù)，結(jié)果見表3.
表3、尼龍66、SiO2(0.2％)/尼龍6、Ekonol(0.2％)/尼龍66的線膨脹系數(shù)比較
實(shí)施例9、按照實(shí)施例8的檢測(cè)方法對(duì)Ekonol(0.2％)/尼龍66、Ekonol(0.3％)/尼龍66、Ekonol(0.5％)/尼龍66、Ekonol(0.7％)/尼龍66、Ekonol(1.0％)/尼龍66進(jìn)行線膨脹系數(shù)的測(cè)定并進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。
表4、Ekonol(0.2％)/尼龍66、Ekonol(0.3％)/尼龍66、Ekonol(0.5％)/尼龍66、Ekonol(0.7％)/尼龍66、Ekonol(1.0％)/尼龍66的線膨脹系數(shù)比較
實(shí)施例10、尼龍66、SiO2(0.2％)/尼龍6、Ekonol(0.2％)/尼龍66、Ekonol(0.5％)/尼龍66、Ekonol(1.0％)/尼龍66耐水解性能研究
將各復(fù)合材料的試樣分別放入裝有純乙二醇溶劑的試驗(yàn)裝置中,升溫至140℃，保持72h,然后取出試樣,放入真空干燥箱中于70℃干燥2h,在60min內(nèi)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果見表5。
表5、純尼龍66、SiO2(0.2％)/尼龍6、Ekonol(0.2％)/尼龍66、Ekonol(0.5％)/尼龍66、Ekonol(1.0％)/尼龍66耐水解性能研究